【文章內(nèi)容簡介】 氣回收分離和四氯化硅氫化工序，從而減小了污染，降低了成本?，F(xiàn)代四氯化硅氫化的工藝有熱氫化、冷氫化和等離子體氫化。下面著重介紹一下冷氫化工藝： 冷氫化方法是處理四氯化硅的一種極其有效的方法，以四氯化硅、硅粉、氫氣為原料輔以氯化氫，以氯化亞銅或鎳為催化劑，在流化床反應(yīng)器中進(jìn)行氣固相反應(yīng)，主要的反應(yīng)為： 3SIC14+2H2+Si→ 4SiHCl3 沈祖祥等 將粉末狀鎳觸媒與硅粉按一定比例均勻混合后，在氫氣氣氛下由 20％至420~C連續(xù)變化的溫度條件下活化處理；按一定配比的氫氣、四氯化硅混合氣體通過活化處理后 的催化劑與硅粉料層實(shí)現(xiàn)四氯化硅的冷氫化反應(yīng)。粉末狀鎳觸媒與硅粉的質(zhì)量比為 1％ ～ 10％ ；四氯化硅和氫氣的摩爾比為 1： 1～ 1： 10；反應(yīng)溫度為 400℃ 一 500℃ ，反應(yīng)壓力為 1． 2— 1． 5MPa(g)，接觸反應(yīng)時間為 10～ lOOs，三氯氫硅的一次性轉(zhuǎn)化率可達(dá)到 30％ 。 冷氫化工藝相比于其他氫化工藝的優(yōu)缺點(diǎn) 冷氫化工藝的優(yōu)點(diǎn)是在有硅粉加入的情況下反應(yīng)，電耗低； STC 轉(zhuǎn)化率高（國內(nèi)可達(dá) 22%～ 25%） ,但冷氫化也有其缺點(diǎn)，那就是它是氣固反應(yīng)，間斷操作；操作壓力高，對硬件的要求高。國內(nèi)運(yùn)行時間較短， 工藝成熟性有待提高。綜合來考慮，冷氫化以其能耗低、四氯化硅轉(zhuǎn)化率更高的特點(diǎn)將成為未來多晶硅生產(chǎn)所運(yùn)用技術(shù)的主流。大連交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第三章 流化床反應(yīng)器 流化床反應(yīng)器簡介 流化床反應(yīng)器是化工領(lǐng)域的一種相對較新的工具，第一臺流化床氣體發(fā)生器是由德國的弗里溫克爾于二十世紀(jì)二十年代發(fā)明的 [5]。當(dāng)流體流過填充有固體（催化劑）顆粒的床層，如其流體流過床層的阻力大于床層顆粒的重量時，床層中的顆粒就會像流體一樣流動起來，這種床成為流化 床 [5]。流化床反應(yīng)器是工業(yè)上應(yīng)用較廣泛的一類反應(yīng)器，使用于催化或非催化的氣固、液固等反應(yīng)系統(tǒng) 。目前，化學(xué)工業(yè)廣泛使用固體流態(tài)化技術(shù)進(jìn)行固體的物理加工、顆粒輸送、催化和非催化化學(xué)加工，使用流化床反應(yīng)器進(jìn)行硫鐵礦沸騰焙燒、石油催化裂化等生產(chǎn)過程。 一、流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)： 由于可采用細(xì)粉顆粒，并在懸浮狀態(tài)下與流體接觸，液固相界面積大（可高達(dá)3280~16400 ㎡ /? ），有利于非均相反應(yīng)的進(jìn)行，提高了催化劑的利用率。 由于顆粒在床內(nèi)混合激烈，使顆粒在全床內(nèi)的溫度和濃度均勻一致，床層與內(nèi)浸換熱器表面間的傳熱系數(shù)很〔 200~400W/(㎡ K)〕，全床熱容量大，熱穩(wěn)定性高，這些都有利于強(qiáng)放熱反應(yīng)的等 溫操作。這是許多工藝過程的反應(yīng)裝置選擇流化床的重要原因之一。 流體與顆粒之間傳熱、傳質(zhì)速率也較其他接觸方式為高。 流化床的顆粒群有類似流體的性質(zhì)，可以大量地從裝置中引入、移出，并可以實(shí)現(xiàn)在兩個流化床之間大量循環(huán)，這使得一些反應(yīng) 再生、吸熱 放熱、正反應(yīng) 逆反應(yīng)等反應(yīng)耦合過程和反應(yīng) 分離耦合過程得以實(shí)現(xiàn)，使得易失活催化劑能夠在工程中使用。 由于流 固體系中空隙率的變化可以引起顆粒曳力系數(shù)的大幅度變化，這樣在很寬范圍內(nèi)均能形成較濃密的床層。所以流態(tài)化技術(shù)的操作彈性范圍寬，單位設(shè)備生產(chǎn)能力大，設(shè)備結(jié)構(gòu) 簡單、造價低，符合現(xiàn)代化大生產(chǎn)的需要。 二、流化床反應(yīng)器的缺點(diǎn)： 氣體流動狀態(tài)與平推流偏離較大，氣流與床層顆粒發(fā)生返混，以致在床層軸向沒有溫度差及濃度差，加之氣體可能成大氣泡狀態(tài)通過床層，使氣 固接觸不良，使反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率低，因此流化床一般達(dá)不到固定床的轉(zhuǎn)化率。 催化劑顆粒間相互劇烈碰撞，造成催化劑的破碎，增加了催化劑的損失和除塵的困難。同時由于固體顆粒的磨蝕作用，導(dǎo)致管子和容器的磨損嚴(yán)重。所以流化床反應(yīng)器比較適用于下列過程：熱效應(yīng)很大的放熱或吸熱過程；要求有均一的催化劑溫度和需要精確控制溫度的反應(yīng)； 催化劑壽命比較短，操作較短時間就需要更換（或活化）的反應(yīng)；有爆炸危險(xiǎn)的反應(yīng)，某些能夠比較安全地在高濃度下操作的氧化反應(yīng)，可以提高能力，大連交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 減少分離和精制的的負(fù)擔(dān)。另外，流化床反應(yīng)器一般不適于如下情況：要求高轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)；要求催化劑層有溫度分布的反應(yīng) [6]。 流化床反應(yīng)器的分類 流化床根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同可以分為以下幾種： 一、按照固體顆粒是否在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)分類分為：非循環(huán)操作的流化床（單器）和循環(huán)操作的流化床（雙器）； 二、按照床層外形分類分為：圓筒形流化床和圓錐形流化床； 三、按照反應(yīng)器層數(shù)分類可分為：單層 和多層流化床； 四、按照床層中是否設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件分類分為：自由床和限制床； 五、按照是否催化反應(yīng)分類分為：氣固催化流化床反應(yīng)器和氣固非催化流化床反應(yīng)器； 典型流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)介紹 盡管流化床反應(yīng)器有分多種看，但是一般都是由殼體、氣體分布器、內(nèi)部構(gòu)件（比如擋板、擋網(wǎng)等）、內(nèi)換熱器、氣固分離裝置和固體顆粒加入和卸出裝置所組成。 各部件功能介紹如下： 殼體 殼體的作用主要是保證流化過程局限在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行，對 于存在強(qiáng)烈的吸熱和放熱的反應(yīng)過程，保證熱量不散失或少散失，一 般殼體由三層組成，由 內(nèi)向外，內(nèi)層為耐火層，通常由耐火磚構(gòu)成；中間層為保溫層，由耐火纖維和礦渣棉等材料構(gòu)成；最外層為鋼殼，有的在鋼殼外還設(shè)有保溫層。耐火層和保溫層材料的選擇和厚度要根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳熱計(jì)算確定，對于常溫過程，一般只有一層鋼殼即可。 氣體分布裝置 包括氣體預(yù)分布器和氣體分布板兩部分。預(yù)分布器由外殼和導(dǎo)向板組成（或其他），是連接鼓風(fēng)設(shè)備和分布板的部件。預(yù)分布器作用是使氣體的壓力均勻，使氣體均勻進(jìn)入分布板，從而減少氣體分布板在均勻分布?xì)怏w方面的負(fù)荷，與分布板相比，預(yù)分布器僅僅居于次要地位。常用氣體預(yù)分布器的結(jié)構(gòu)形 式如： 內(nèi)部構(gòu)件 內(nèi)部構(gòu)件有水平構(gòu)件和垂直構(gòu)件之分，有不同結(jié)構(gòu)形式，擋板和擋網(wǎng)是最常用的形式，主要用來破碎氣泡，改善氣固接觸，減少返混，從而提高反應(yīng)速率和反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。大多數(shù)反應(yīng)器設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件，對于自由床（流化床燃燒器）則不設(shè)內(nèi)部 構(gòu)件，床內(nèi)只有換熱管（或稱為水冷壁）和管束。 換熱裝置 流化床反應(yīng)器的換熱裝置可以裝在床層內(nèi)即床內(nèi)換熱器， 也可以使用夾套換熱器，作用是及時移走或供給熱量。 氣固分離器 流化床在運(yùn)行過程中，由于固體顆粒強(qiáng)烈的擾動，一些細(xì)小的顆?？傄S氣體溢出流化床外，氣固分離裝 置的作用就是回收這部分細(xì)小顆粒使其返回床大連交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 層，常用的氣固分離裝置有旋風(fēng)分離器和內(nèi)過濾器兩種。 流化床內(nèi)部構(gòu)件 —— 氣體分布板 氣體分布板需滿足的基本要求 流化床的氣體分布板的氣體分布板是保證流化床具有良好而穩(wěn)定流態(tài)化的至關(guān)重要的構(gòu)件，它應(yīng)該滿足下列基本要求。 具有均勻分布?xì)饬鞯淖饔?，同時其壓降要小。這可以通過正確選取分布板的開孔率或分布板壓降與床層壓降之比，以及選取適當(dāng)?shù)念A(yù)分布手段來達(dá)到。 能使流化床有一個良好的起始流態(tài)化狀態(tài)，避免形成“死角”。這可以從氣體流出分布板的一瞬間的流型和湍動 程度，從結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)上予以保證。 操作過程中不易被堵塞和磨蝕 [7]。 氣體分布板的作用 氣體分布板的作用有三：一是支撐床層上的催化劑或其他固體顆粒；二是分流，使氣體均勻分布在床層的整個床面上，造成良好的起始流化條件；三是導(dǎo)向，可抑制氣固系統(tǒng)惡性的聚式流態(tài)化，有利于保證床層穩(wěn)定。 分布板對整個流化床的直接作用范圍僅 ~，然而它對整個床層的流態(tài)化狀態(tài)卻具有決定性的影響。在生產(chǎn)過程中常會由于分布板設(shè)計(jì)不合理，氣體分布不均勻，造成溝流和死區(qū)等異?，F(xiàn)象 [7]。 氣體分布板的分類 工業(yè)生產(chǎn)中使用的氣體分布板的型式很多，主要有：密孔板、直流式、側(cè)流式和填充式分布板，旋流式噴嘴和分支式分布器（多管式氣流分布器）等，而每一種型式又有多種不同的結(jié)構(gòu)。下面分別加以介紹。 密孔板又成燒結(jié)板，被認(rèn)為是氣體分布均勻、初生氣泡細(xì)小、流態(tài)化質(zhì)量最好的一種分布板。但因其易被堵塞，并且堵塞后不易排出，加上造價較高，所以在工業(yè)中較少使用。 直流式分布板結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計(jì)制造。但氣流方向正對床層，易使床層形成溝流，小孔易于堵塞，停車時由易于漏料。所以除特殊情況外，一般不使用直流式分布板。 填充式分布板是在多孔 板（或柵板）和金屬絲網(wǎng)上間隔地鋪上卵石、石英砂、卵石，再用金屬絲網(wǎng)壓緊，其結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，并能達(dá)到均勻布?xì)獾囊?，流態(tài)化質(zhì)量較好。但在操作過程中，固體顆粒一旦進(jìn)入填充層就很難被吹出，容易造成燒結(jié)。另外經(jīng)大連交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 過長期使用后，填充層常有松動，造成移位，降低了布?xì)獾木鶆虺潭取? 側(cè)流式分布板實(shí)在分布板孔中裝有錐形風(fēng)帽，氣流從錐帽底部的側(cè)縫或錐帽四周的側(cè)孔流出，是應(yīng)用最廣，效果較好的一種分布板。其中側(cè)縫式錐帽因其不會在頂部形成小的死區(qū)，氣體緊貼分布板板面吹出，適當(dāng)氣速下也可以消除板面上的死區(qū)，從而大大改善床層的流態(tài)化質(zhì) 量，避免發(fā)生燒結(jié)和分布板磨蝕現(xiàn)象，因此應(yīng)用更廣。 短管式分布板則是在整個分布板上均勻設(shè)置了若干根短管，每根短管下部有一個氣體流入的小孔，孔徑為 9~10mm，約為管徑的 1/3~1/4，開孔率約 %.。短管長度約為200mm。短管及其下部的小孔可以防止氣體渦流，有利于均勻布?xì)?，使流化床操作穩(wěn)定。 多管式氣流分布器是近年來發(fā)展起來的一種新型分布器。由一個主管和若干帶噴射管的支管組成。由于氣體向下射出，可消除床層死區(qū)，也不存在固體泄漏問題，并且可以根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)成均勻布?xì)饣蚍蔷鶆虿細(xì)獾慕Y(jié)構(gòu)。另外分布器本身不同 時支撐床層質(zhì)量，可做成薄型結(jié)構(gòu) [8]。大連交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第四章 分布板 的設(shè)計(jì) 改進(jìn) 由上文我們知道 ,流化床常用氣體分布裝置有多孔板、風(fēng)帽型分布板和多管式氣體分布器等 [9]。本篇論文僅對本廠使用的多孔板分布器裝置，從本廠生產(chǎn)實(shí)際的角度進(jìn)行理論計(jì)算，設(shè)計(jì)出使本單位氫化車間的流化床設(shè)備轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化效率更高、成本更低的氣體分布裝置。 原氣體分布板裝置的情況 氣體分布板的結(jié)構(gòu) A公司所用的氣體分布板為多孔板分布器，第一、二層分布板如圖 4 42： 圖 41 第一層分布板 結(jié)構(gòu)圖 大連交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 42 第二層分布板 結(jié) 構(gòu)圖 反應(yīng)器分布板的開孔率分布情況如表 41。 表 41 原分布板 的尺寸參數(shù)及 開孔率 層次 孔徑孔數(shù) (ram) 開孔率 ( ) 板厚 (ram) 1 m26 48+ m19 5 0． 437 2 2 m19 92+ m24 4 O． 457 2 3 m19 392 0． 8O5 2 4 m8 2384 1． 946 2 5 m7 2529 1． 5806 2 6 m6 5100 2． 3418 2 7 m3 27500 3． 1569 2 8 m3 17200 19． 7449 3 分布板共有八層，各層開孔率不同，第 1～ 2層開孔率在 O． 5以下，是分布板阻力損失的關(guān)鍵部分，是使氣體均勻分布的部位。第 3～ 8層，開孔率為 1． 5～ 19 %，是氣體的整理層，在第 6～ 7層間加二層 5目的不銹鋼絲網(wǎng)， 7～ 8層之間加了一層 10目的不銹鋼絲網(wǎng)，作用是防止催化劑顆粒漏進(jìn)分布板之中。 大連交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 ． 原工藝 條件 (1)投料量 氫氣通入量： ／ h； 四氯化硅等原料通入量： 15080kg／ h； (2)反應(yīng)器分布板的氣體溫度 500℃ ； (3)分布板下的壓力： ； ．原分布板在上述工 藝條件下的 阻力降 計(jì)算 (1)多孔板分布板的阻力計(jì)算公式如下： （ ） C= （ ） 式中， u：氣體通過孔的氣速 m／ s； б：氣體的密度 kg／ ； Ф：分布板的開孔率 ； d: 孔徑 m； b:板厚 m； 在計(jì)算氣體通過分布板速度時，可近似采用下面的伯努力方程： CghP v ??? ?? 221 （ ） 式中， P為單位體積流體壓力能 ； 221 V? 為單位體積流體動能 ； gh? 為體積流體動力勢能 ； C為常數(shù) ； 氣速和壓力降 的計(jì)算 結(jié)果 在溫度 500℃、壓力 ，由生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)知?dú)怏w體積約 為氣體標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積的 倍，故： 大連交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 生產(chǎn)中通入氫氣量為： 通入四氯化硅等原料氣體 /h 所以溫度 500℃、壓力 ，通過氣體分布板的總體積為：+= /h 氣體密度為： +15080/=計(jì)算結(jié)果 如表 42： 表 42 根據(jù)工藝參數(shù)計(jì)算氣速和壓力降結(jié)果 層次 開孔率（ %） C б (kg／ m3) v（ m3